Bauen eines Tiefenreglers

Dokumentation zum
Eigenbau eines
Tiefenreglers für
CNC-Fräsmaschinen
Eine Anregung von
Michael (Mic) Schmidt
Copyright - Mai 2005
Einleitung
Ich will das Ganze hier so kurz wie möglich verfassen um niemanden unnötig viel Lesearbeit
zuzumuten. Idee ist es, einfach nur denjenigen, die auf der Suche nach einem derartigen
Tiefenregler sind, Anstöße zum Selbstbau zu geben. Dabei habe ich mein Vorgehen und die
Resultate fotografisch festgehalten und hoffe dass die Aufnahmen viele Erklärungen ersetzen.
Ich warne bereits an dieser Stelle davor, die Erwartungshaltung zu hoch zu schrauben. Ich
habe keinerlei Maßzeichnungen oder dergleichen angefertigt, weil ich den Tiefenregler
einfach im Kopf entworfen habe und dabei teilweise auf Materialien und Teile
zurückgegriffen habe, die einfach schon vorhanden waren. Vermutlich ist diese
Vorgehensweise noch als Spätfolge meiner Kindheit mit Lego und Fischertechnik zu erklären,
wo auch immer so drauf los gebaut wurde, wie man es sich gerade ausdachte.
Ich gehe bei weiteren Erklärungen davon aus, dass grundsätzliches Wissen über den Aufbau
und die Arbeitsweise von CNC unterstützten Portalfräsmaschinen vorhanden ist.
Warum ein Tiefenregler
Ein Tiefenregler hat die Aufgabe das Werkzeug stets so führen, dass es mit einer konstanten
Tiefe in das Werkstück eindringt und darauf verfährt. Dies ist vor allem bei feinen Gravuren
sehr wichtig, da kleine Unterschiede in der Materialstärke des Rohlings, oder bei leichter
Wölbung durch das Aufspannen, zu unterschiedlich breiten Fräsbahnen führen würde.
Besonders letzterer Fall ist durchaus ein gängiges Problem, da die Platten oft derart dünn und
flexibel sind, dass eine konstante Entfernung zum Werkzeug an jeder beliebigen Stelle nicht
durch einfaches Aufspannen erreicht werden kann. Selbst Vakuumtische sind nicht immer
ausreichend.
Meine Intention, einen solchen Regler zu bauen war der Wunsch Platinen, also das Layout, zu
fräsen. Platinenmaterial ist oft schon geringfügig verbogen bzw. gewellt, was u.U. auch durch
das Aufspannen nicht ausgeglichen werden kann, oder gar dadurch verstärkt wird. Da ein
typischer Platinenfräser eine V-förmige Schneide hat, ist die Breite der Fräsbahn unmittelbar
von der Eintauchtiefe abhängig.
Prinzipieller Aufbau und Funktionsweise eines Tiefenreglers
Der Tiefenregler ist nichts anderes als ein Maschinenhalter, der in Richtung der Z-Achse der
CNC-Fräse beweglich ist. Ein „Gleiter“ setzt dabei auf dem Werkstück auf und tastet somit
die Oberfläche ab. Die Z-Achse fährt also ein wenig tiefer, als sie ohne Tiefenregler fahren
müsste um den Fräser im Material zu „versenken, damit dieser bewegliche Maschinenhalter
etwas Spiel nach oben und unten bekommt. Durch den Gleiter bleibt der Abstand der
Maschine und somit des Fräsers immer konstant zur Oberfläche des Materials.
Erste Schritte
Mein grundsätzlicher Ansatz wurde durch die vorhandenen Gegebenheiten meiner
Fräsmaschine bestimmt. Ich benutze eine kleine Portalfräse mit Schrittmotoransteuerung, die
einen Verfahrweg von ca. 320x220x40mm zulässt.
Ausschlaggebend war die
Konstruktion der Z-Achse.
Bei dieser Fräse ist oben und
unten an der Linearführung
eine 10mm starke Alu-Platte
montiert, an der die
Basisplatte mit dem
Maschinenhalter
angeschraubt werden kann.
Diese Basisplatte lässt sich
leicht demontieren und daher
beschloss ich, eine neue
bzw. weitere herzustellen,
um darauf den beweglichen
Teil zu montieren.
Zur Verdeutlichung was ich damit meine, sieht man
hier besagte Basisplatte mit einem Maschinenhalter
für große Fräsmaschinen (43er Hals).
Die vier gesenkten Bohrungen dienen zur
Befestigung an der Z-Achse.
Da ich beim Fräsen von Platinen aber nicht die große
Fräse nutzen wollte, brauchte ich auf jeden Fall
einen Halter für die kleine Proxxon.
Ein wesentlicher Bestandteil musste bereits an dieser
Stelle berücksichtigt werden, das waren die MiniLinearführungen. Die Teile haben die Ausmaße
50x10x4 mm und haben einen Verfahrweg von ca.
24mm. Sie sind kugelgelagert, ziemlich stabil, sehr
leichtgängig und trotzdem spielfrei, was ziemlich
wichtig ist.
.
Also entstand eine neue Grundplatte mit den vier
Befestigungslöchern und den beiden Linearlagern,
die natürlich absolut parallel laufen müssen.
Die Bohrungen kann man sinnvoller Weise mit der
vermutlich schon vorhandenen CNC-Fräse machen
um die entsprechende Genauigkeit zu bekommen.
Ich habe als kleines Schmankerl die Führungen
noch versenkt auf der Platte befestigt, was aber
nicht unbedingt nötig ist.
Die Grundplatte, wie auch später andere Alu-Teile,
bekam dieses interessante Streifenmuster, weil ich
zum Planfräsen nur einen 8mm-Fräser hatte. Man
kann die Platte logischerweise auch so lassen, wie
sie daherkommt, ich wollte aber gezielt diese
Optik erzeugen, zumal die Platte eigentlich stärker
war, als ich sie brauchte und somit ein paar mm
weniger nicht schaden konnten.
Der bewegliche Maschinenhalter
Nun musste der eigentliche Halter für die
Maschine gebaut werden. Diese Konstruktion
ist an sich ganz schlicht, was hier gut zu
sehen ist. Allerdings ist die
Aufnahmebohrung für die Maschine nicht
ganz so einfach herzustellen, da das Bohrloch
mit 20mm einfach zu groß ist, um es mit
normalen Bohrmaschinen zu machen.
Hier hilft wieder die CNC-Fräse. Ich
brauchte zwar sehr lange, da ich ziemlich
viele Durchgänge mit kleinen Zustellungen
benötigte, aber das Ergebnis ist dafür sehr
genau. Das Loch habe ich mit feinstem
Schmirgelpapier nachbearbeitet und dann
noch poliert, damit die Maschine, deren Hals
auch aus Alu (Guß) ist, leichter zu befestigen
ist.
Vorne ist der Schlitz, (später kann hinten gegenüber ein weiterer hinzu) der es überhaupt erst
ermöglicht, eine Maschine einzuspannen. Dort wo unten auf dem Bild die rechteckige
Ausfräsung zu sehen ist, befindet sich eine Imbusschraube M5, die zum Spannen dient. Die
ungewöhnliche Form der Aufnahme ergab sich aus der Grundform des Alublockes, den ich
noch rumliegen hatte. Die Gewindebohrungen auf der Stirnseite waren schon vorhanden und
werden nicht benötigt. Diese kegelförmige Wölbung war ebenfalls vorhanden und wurde
später als gleichmäßig rechteckige Fuge ausgefräst, was aber nicht weiter von Belang ist.
Wie sich im Laufe der Konstruktion
herausstellte, konnte der gesamte Halter nur
dann zusammengebaut werden, wenn die
Linearführungen erst auf dem beweglichen
Maschinenhalter montiert wurden, was man
hier sieht.
Ich sag’s ja, mit ordentlichem Planen wäre
das sofort klar gewesen ;-)
Die beiden Schrauben, die etwa mittig aus
der Platte ragen sollen dazu dienen, später
den Schlitten zu arretieren, damit nach dem
Fräsen eines Layouts zum Bohren der gleiche
Halter benutzt werden kann.
Um zu sehen, wie sich die Gesamtkonstruktion bis hierher macht und auch leichtgängig
funktioniert, wurden beide Teile testweise miteinander verschraubt. Sieht doch schon ganz
passabel aus. Wie heißt es noch…das Auge fräst schließlich mit ;-)
Der Gleitkopf
Nun musste ich mir Gedanken zur Konstruktion des Gleiters machen. Wichtig war mir dabei,
dass dieser in der Höhe verstellbar sein musste, sonst wäre die Frästiefe nur über die
Einspanntiefe des Fräsers in der Maschine festzulegen gewesen und das wäre reichlich
unpraktisch.
Also bemühte ich wieder meine Kramkiste und fand eine Stahlhülse mit 20mm (s.u.)
Außendurchmesser, die vorne spitz zulief und unten bereits eine 4mm Bohrung hatte.
Außerdem befanden am oberen Rand einige 3mm Gewindebohrungen. Es stellte sich heraus,
dass der Spannkopf einer Proxxon problemlos darin Platz fand und so benötigte ich nur noch
einen Halter, der diese Hülse exakt unter das Bohrfutter der eingespannten Maschine bringt
und dafür sorgt, dass sich der Abstand möglichst feinfühlig variieren lässt. Dazu benutzte ich
ein Stück 20mm starken PVC’s, welches von der äußeren Form unter den bereits fertigen
Aluhalter passte.
Auf Dauer werde ich diesen Gleiter aber durch ein Teflonteil ersetzen, da es bessere
Gleiteigenschaften aufweist. Außerdem wird es dann im Bereich der Auflage geschlitzt,
wodurch die Späne besser von der Frässtelle weggebracht werden können.
Hier bin ich bei der Herstellung
manuell vorgegangen, da mir beim
Bauen erst die Feinheiten der
Konstruktion „eingegeben“ wurden.
Ich hatte mir in Ermangelung eines
Teileapparates schon früher die hier
abgebildete Pertinax-Platte gebaut,
welche an der Unterseite ein
massives Kugellager hat. Dieses ist
in dem Schraubstock unter der
Fräse so eingespannt, dass sich die
Platte von Hand darauf drehen lässt.
Die Platte habe ich vorher noch mit
der CNC-Maschine gelocht und
dann teilweise mit Gewinde
versehen, so dass sich eine ziemlich
genaue Aufspannmöglichkeit ergab.
Damit konnte ich das Werkstück
unter dem Fräser drehen und musste
nur noch nach jeder Drehung die
Fräse etwas tiefer zustellen.
Auf diese Weise ist sowohl das 20mm Loch für die Hülse, als auch der halbrunde Bogen an
der Vorderseite entstanden, der genau parallel zum Umfang des inneren Loches verläuft.
Natürlich lässt sich diese Arbeit auch von der Maschine erledigen – würde ich beim nächsten
mal wohl auch machen.
Hier noch ein paar Aufnahmen von der Herstellung und dem Ergebnis.
.
Die Einstellmechanik
Um die gewünschte Funktion und Bedienbarkeit
herzustellen musste diese schräg verlaufende Nut in
die Wölbung gefräst werden. Darin wird später die
Schraube, welche hier in die die Gleithülse gedreht
wurde, geführt.
Die Schraube selbst ist noch durch eine Art
Abstandshalter gesteckt, damit sich ein kleiner Hebel
ergibt, mit dem durch Verdrehen der Gleithülse im
Halter die Eintauchtiefe des Fräsers bestimmt werden
kann. Ich habe dafür wieder ein Teil aus der
Kramkiste genommen, welches einseitig gekröpft ist
und dadurch gut auf dem äußeren Bogen gleitet. Eine
U-Scheibe hätte es wohl auch getan.
Zusammengebaut sieht dieses Teil
dann so aus.
Hier kann man sich sicherlich schon
gut vorstellen, wie sich die
Bewegung am Hebel auf die
Stellung der Hülse unten auswirkt.
Übrigens ist die Hülse unten poliert
worden, damit sie möglichst leicht
über das Werkstück gleitet.
Nachdem diese Mimik mit dem beweglichen Maschinenhalter verschraubt wurde sieht es so
aus:
Der PVC-Block wurde einfach von der Rückseite des Halters festgeschraubt (Natürlich
mussten einmal mehr die Linearführungen dafür abgeschraubt werden ;-)
Hier sieht man auch die Spannschraube ganz gut und die beiden Arretierschrauben für das
Festsetzen zum Bohren.
Nun wollte ich eine Möglichkeit
haben, das Gewicht der Maschine
mittels Federn etwas kompensieren
zu können. Die fertige Lösung sieht
man bereits hier auf dem Bild.
Das Ganze entstand aus einem
kleinen Alu-Träger, der an beiden
Seiten ein Langloch bekam,
welches etwa 2,2 mm breit und 4,2
mm lang ist. Dafür bastelte ich aus
einer abgesägten M4-Schraube den
eigentlichen Federhalter, indem ich
sie auf beiden Seiten abfeilte.
Dadurch verkantet die so
entstandene Gewindestange in dem
Langloch und lässt sich durch die
Rändelmutter in der Höhe
verstellen. Durch ein ins untere
Ende gebohrte Loch konnte die
Feder gezogen werden.
Auf dem folgenden Bild sieht man detailliert diese Konstruktion. Die kleine Aluhülse
unterhalb der Rändelmutter ist lediglich als Abstandshalter eben dafür nötig, da ich den
Aluhalter nicht nah genug an die Oberkante der Basisplatte schrauben konnte, da sonst die
Befestigungslöcher verdeckt worden wären
Nachdem für die Federn im beweglichen Maschinenhalter an beiden Seiten je ein kleiner
Gewindebolzen zur Befestigung angebracht wurde, sieht der fertige Tiefenregler nun
folgendermaßen aus:
Hier noch mal das komplette Teil und anschließend auf die Maschine gebaut:
Hier mal das Ergebnis des ersten „Platinen-Layout-Fräsens“. Ist übrigens eine Platine für die
3D-Step, die einerseits das Netzteil mit den Unterspannungen 12V und 5V, und darüber
hinaus zwei Relais für die Spindel und Kühlung beherbergt.
Außerdem habe
ich noch eine
Mimik zur die
Übertemperaturabschaltung (für
die 3D-Step bis
Version 2.6)
eingebaut und die
LED’s und
Endschalteranschlüsse darauf
untergebracht.
Soweit diese Anregung. Ich bin für alle Fragen dazu offen, sendet einfach eine Mail an:
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